喷气织机用永磁同步电机直驱装置的开发

吉学齐

(山东日发纺织机械有限公司，山东 聊城 252000)

0 引言

喷气织机采用压缩空气进行引纬，具有速度快、效率高、织物风格好等优点，是织造领域的主流生产设备。近年来喷气织机在提高速度、降低能耗、提升自动化水平等方面有了较大发展，其中降低能耗是喷气织机重要的研究课题。喷气织机能耗由压缩空气能耗与织机自身电耗两部分组成，其中织机电机是影响自身能耗的重要因素。

1 主传动的作用及形式

喷气织机主传动的作用，是将主传动电机的转动通过传动机构传递给织机主轴及相关运动部件，实现织机各种动作。织机主传动应具备：① 启动迅速，在第1次打纬时，织机车速就应达到或接近正常运转的速度；② 制动平稳、快捷，停车位置准确，符合工艺和操作要求，有利于重新开车启动；③ 操作方便，既有正常启动、制动功能，也可实现某些特殊操作，如慢车、手动正反向点动等功能；④ 结构紧凑、性能稳定。

各型号喷气织机因其总体布局以及结构设计的不同，有不同的传动系统及启动、制动系统。喷气织机主传动形式目前有两种：一种是超启动三相异步电机，通过皮带、带轮，配合电磁制动器实现织机的传动，这种形式以津田驹、丰田等日系喷气织机为主，国产喷气织机也是此种结构；另一种采用开关磁阻电机，通过齿轮减速后实现织机启动，电机反向通电后产生制动力实现织机制动，采用这种主传动形式的主要是欧洲机型，如：比利时必佳乐、意大利意达等喷气机型，国产喷气织机制造企业尚无采取此种传动形式的产品。

2 三相异步电机配合皮带驱动

超启动三相异步电机配合皮带、带轮传动模式，其工作原理如图1所示。

1—电机小带轮；2—三相异步电机；3，6—螺钉；4—电机底座；5—心轴；7—织机主轴；8—织机大带轮；9—电磁制动器；10—三角带。图1 三相异步电机驱动织机示意

电机小带轮安装在异步电机的主轴上，异步电机通过螺钉固定在电机底座上，电机底座套装在心轴上，并由螺钉锁紧。织机大带轮固定在织机主轴上，电磁制动器固定在织机机架上，电磁制动器的摩擦片与织机大带轮的轴向距离保持为0.02 mm～0.04 mm。三角带安装在电机带轮和大带轮之间。织机启动时异步电机通电，动力由两个带轮和皮带传递给织机主轴，进而驱动织机运转，完成各种工艺动作。当发生纱线断头或者织机出现故障需要停机时，主电机断电，电磁制动器线圈吸合，与大带轮同步运转的弹簧片与制动器的摩擦片吸合完成制动，制动完成后再慢动至定位停车角度。为方便操作，发生断经停机时一般要求织机定位停止在上心或综平位置，便于处理断经。当发生纬向故障停车时要求迅速停止在综平位置附近，然后再根据工艺需要慢动反转，将有故障纬纱的梭口打开，完成所谓的“自动找梭口”过程。

这种模式的主传动需要选择合适的电机，使其机械性能适应织机运转特性的要求。所用电机除选定合适的额定功率外，还必须考虑电机的允许最大转矩和最大转差率等特性参数，另外传动系统还应满足织机的负载条件、启动和制动及有关操作与控制的特殊要求。

超启动电机驱动模式的主传动，具有结构简单可靠、成本低、控制驱动方便等优点，但缺点也十分明显：① 传统的三相异步电机功率因数低、效率低，启动时冲击电流大，对设备冲击大，影响电网正常运行；② 三角带传动效率低，能量损耗大，皮带使用寿命短，损坏后需要定期更换，增加维护成本；③ 电磁制动器摩擦盘存在磨损，使用一定时间后需要调整间隙，否则会出现织机停车位置不准确问题；④ 织机更改转速时需要停机人工操作更换带轮，费时费力，效率低下。

3 开关磁阻电机直接驱动

1999年比利时必佳乐公司推出了SUMO电机直接驱动模式，其实质是一种开关磁阻电机用于无梭织机的直驱调速系统。磁阻电机通过传动齿轮机构驱动织机主轴，织机的速度可以自动设定，靠电机的启停、调速实现织机的启停、调速。该系统从总体上分为两部分，即开关磁阻电机和与之对应的控制器，原理见图2。

图2 开关磁阻电机直接驱动织机示意

SUMO电机轴安装有双耦合齿轮，同时与织机主轴齿轮和织机开口齿轮啮合，织机启动时由SUMO电机驱动开口机构与织机整机同时运转；当发生纬停故障停机时，双耦合齿轮动作，保持开口部分啮合情况下与织机主轴齿轮脱离；SUMO电机仅驱动开口机构运转，实现寻纬动作。开关磁阻电机直接驱动模式的优点：① 取消皮带、离合器和刹车盘等零部件，简化了织机结构；② 通过电机实现织机调速，通过计算机或按程序自动调节，提高生产效率，增强织机品种适应性。

开关磁阻电机直接驱动相比异步电机驱动具有一定优势，但缺点也比较明显：① 开关磁阻电机的性能特点是非线性，对其性能的精确分析和计算较为困难，电机的控制精度较低；② 磁阻电机的转矩脉动大导致噪声较大，同时启动瞬间对外电网冲击较大，电机温升较高，使用中需要增加油冷或者水冷循环系统；③ 磁阻电机成本较高。

4 交流永磁同步电机直驱

随着永磁电机技术的进步，在喷气织机上使用永磁电机成为可能。相比异步电机驱动以及磁阻电机驱动，永磁电机驱动可以集合两种驱动模式的优点，具有节能效果显著、成本低、稳定可靠、结构比磁阻电机进一步简化等优点，其工作原理见图3。

1—定位法兰；2—定子；3—转子; 4—铁芯；5—主轴；6—螺母；7—轴承座；8—轴承；9—墙板盖板。图3 永磁同步电机直驱装置示意

永磁同步电机转子与铁芯通过紧固键以及螺母紧固安装在织机主轴上，永磁同步电机定子通过螺钉安装在定位法兰上，定位法兰由轴承座定位后通过螺杆固定在墙板盖板。由于轴承座是通过织机曲轴上的轴承进行定位，故永磁电机定子与转子之间的间隙可以精确控制，不会影响电机性能。三相异步电机是通过在励磁绕组中通入电流来产生磁场的，而永磁同步电机通过永磁体来建立磁场，具有体积小、效率高、功率因数高、启动力矩大、力能指标好、温升低等特点。

永磁同步电机驱动相比异步电机以及开关磁阻电机等驱动模式，优点如下。

a) 永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，在轻载时效率值要高很多，节能效果十分显著，其能耗低于异步电机20%以上。

b) 由于永磁同步电机功率因数高，相比异步电机其电流更小，电机定子铜耗更小，效率也更高；电机配套的电源如变频器等，容量可以更低；同功率永磁同步电机比异步电机体积更小。

c) 系统效率高。永磁电机参数，特别是功率因数，不受电机极数的影响，因此便于设计成多极电机；针对传统织机需要负载电机通过皮带轮减速来驱动的特点，可以直接使用永磁同步电机直驱系统，省去了皮带轮、皮带，提高了传动效率。

d) 永磁同步电机在低频时仍能保持良好的工作状态，低频时(也就是启动低速时)的输出力矩较异步电机大，同时启动时配合变频器驱动，可以在100 ms内达到额定转速，而异步电机需要500 ms才能达到额定转速。其启动特性如图4所示。

图4 永磁电机和异步电机驱动性能对比

e) 转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因而电机温升低，同体积、同质量的永磁电机功率可提高约30%；同功率容量的永磁电机体积、质量、所用材料可减少30%。

f) 相比于开关磁阻电机驱动模式，永磁同步电机传动结构更为简化。开关磁阻电机直驱必须采用齿轮减速，而永磁同步电机则完全取消了减速齿轮及相应减速箱，机构更简化，节能效果更显著。

g) 永磁同步电机的控制精度高于开关磁阻电机的控制精度。

h) 永磁同步电机驱动装置的成本远低于开关磁阻电机，降低了客户采购成本。

如图5所示，使用永磁同步电机的驱动装置，比使用三相异步电机传动机构简单。

a) 三相异步电机方案组件 b) 永磁同步电机方案组件1—三相异步电机；2—三相异步电机支架；3，7—开口皮带轮机构；4—电磁离合制动器；5—电机传动皮带/皮带轮；6—永磁同步电机。图5 永磁同步电机驱动装置

5 永磁同步电机直驱装置应用效果

永磁同步电机直驱装置开发成功后，应用在喷气织机上，使织机具有在线调整车速功能，提高了效率，拓展了品种适应范围。由于织机部件减少，降低了设备故障率以及维护成本，取得了良好效果。

永磁同步电机直驱装置在节电方面效果明显，与三相异步电机驱动对比，在车速为850 r/min时，生产经纬8.33 tex(75D)四面弹品种，永磁同步电机24 h用电量为55 kW·h，三相异步电机24 h用电量为67 kW·h，24 h节约用电12 kW·h，可节电约18%。电费按0.8元/(kW·h)计算，每台每天可节约电费9.6元。纺织厂喷气织机运行时间每年按360 d、织机数量按100台计算，则年节约电费345 600元，节能效果十分显著。

此外，三相异步电机驱动，织机更改车速时需要人工拆卸皮带轮，费时费力、效率低下，且传动皮带使用寿命短，到期或损坏后需及时更换，这都是使用的隐形成本。采用永磁同步电机驱动装置则无这些问题，综合使用效果良好。

6 结语

永磁同步电机直接驱动装置研发成功后，在实际应用中取得了较好效果，与传统三相异步电机驱动相比，简化织机结构，降低维护成本，提高效率，拓展了织机的品种适应性，在节能方面有明显效果。与开关磁阻电机驱动相比，结构进一步简化，降低故障率，具有良好的成本优势。该装置的开发提高了织造工厂的整体效益，符合当前喷气织机绿色节能的发展方向，获得了用户的认可与好评。